立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),立式,精鍛機(jī),自動(dòng),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)
認(rèn)知移動(dòng)機(jī)械手知覺(jué)和行動(dòng)的規(guī)劃
安德烈 加舍爾a 斯維特拉娜a 羅納德 P.A. 彼得里克b 阿洛伊斯 克諾爾a
a 德國(guó)，慕尼黑，慕尼黑工業(yè)大學(xué)，富通學(xué)院
b 英國(guó)，愛(ài)丁堡，愛(ài)丁堡大學(xué)，信息科學(xué)學(xué)院
摘要
本文提出一個(gè)通用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)感知運(yùn)動(dòng)機(jī)械手的知覺(jué)和操作的規(guī)劃，相比較于硬編碼專用機(jī)器人應(yīng)用,機(jī)器人應(yīng)該能夠推斷其基本技能以自主解決復(fù)雜問(wèn)題。對(duì)于實(shí)際場(chǎng)景的抽象問(wèn)題人類根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)通過(guò)分解為更小的子任務(wù)和試探法直觀地解決任務(wù)，我們把類似的方法應(yīng)用到感知運(yùn)動(dòng)機(jī)器人知覺(jué)和操作的規(guī)劃。我們的方法以偶然性規(guī)劃和運(yùn)行時(shí)傳感為基礎(chǔ)，集成在我們的“知識(shí)卷”中規(guī)劃框架，稱為KVP。在信息采集活動(dòng)時(shí)我們模擬了運(yùn)行時(shí)許多可能發(fā)生的結(jié)果。結(jié)果是，知覺(jué)和感覺(jué)取決于必要的操作先決條件，而不是硬編碼的任務(wù)本身。我們展示的是一個(gè)真正的移動(dòng)機(jī)械手在視覺(jué)和力傳感兩個(gè)場(chǎng)景中的有效性。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃；移動(dòng)操作
1.引言
在實(shí)際環(huán)境中控制移動(dòng)機(jī)械手本質(zhì)上是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因此它通常需要推理出對(duì)不確定條件下的感知和行動(dòng)。為了解決這些困難，我們提出一個(gè)能作為機(jī)器人知覺(jué)和行動(dòng)之間的中間代碼并結(jié)合了象征性人工智能進(jìn)行有效計(jì)算的名叫“知識(shí)卷”的應(yīng)用程序以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的任務(wù)規(guī)劃。
KVP方法主要有兩個(gè)原則使之能特別應(yīng)用于機(jī)器人的知覺(jué)和操縱與不確定的或不完全的知識(shí)，真實(shí)世界幾何學(xué)，多元機(jī)器人和傳感器。首先,我們使用規(guī)劃知識(shí)和遙感作為底層象征性的計(jì)劃系統(tǒng)[1,2]。相比其他許多現(xiàn)成的計(jì)劃引擎，PKS運(yùn)行在能代表已知和未知的信息知識(shí)水平，使其能清晰和簡(jiǎn)潔地模擬在域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，原因在于部分已知的環(huán)境是典型的移動(dòng)操作。第二，與其離散搜索空間，我們表述許多基于先決條件感知和操縱連續(xù)卷，特別設(shè)置的幾何凸多面體[3,4]。這卷的概念在幾何級(jí)和象征性的水平作為模擬知覺(jué)和行動(dòng)一個(gè)強(qiáng)大的中間表示。我們的方法是最早設(shè)置一個(gè)介于連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和視覺(jué)錐細(xì)胞之間的凸多面體中介表示，離散象征性運(yùn)動(dòng)，建立一個(gè)結(jié)合幾何和符號(hào)認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)。
在以往的研究中，我們介紹了通用KVP框架[4,5]，并細(xì)節(jié)性的描述了集凸多面體容積排量的計(jì)算[3]和規(guī)劃的突發(fā)事件[6]。這個(gè)工作改為集中在一個(gè)移動(dòng)操作
方案，其中演示了KVP處理的幾個(gè)關(guān)鍵特性的方法(見(jiàn)圖1)，即以傳感器行動(dòng)計(jì)劃（感知），離散不確定（不完整的知識(shí)）和操作。
(a) 我們?cè)u(píng)估一個(gè)工廠設(shè)置中的一個(gè) （b）行動(dòng)的幾何條件和影響，機(jī)器人動(dòng)武士刀五自由度機(jī)械手移動(dòng) 作的工作空間（紅色）和凸多面體
平臺(tái)的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃 的對(duì)象邊界建模。（藍(lán)色為可移動(dòng)的物體，灰色為靜態(tài)障礙物）
圖1 移動(dòng)操縱場(chǎng)景
1.1相關(guān)工作
早期認(rèn)知移動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)工作要追溯到1984年如機(jī)器人沙基[7]。從那時(shí)起,這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展,且認(rèn)知規(guī)劃架構(gòu)已經(jīng)從不同的研究視角被提出，包括來(lái)自人工技能的概率技術(shù)[8]，趨近世界的象征性規(guī)劃[9-11]，中繼合成[12,13]，抽檢操作計(jì)劃[14,15]。
一個(gè)與我們方法密切相關(guān)的貢獻(xiàn)是來(lái)自于信任空間規(guī)劃師 Kaelbling和Lozano-Pérez[8,16]，他們模擬信任空間的概率分布狀態(tài)，使其有強(qiáng)大的應(yīng)對(duì)未知和挑戰(zhàn)的能力。與信任區(qū)域形成對(duì)照的是，我們的工作反而依靠的是離散的知識(shí)和設(shè)計(jì)成不完全信息和傳感的結(jié)構(gòu)化環(huán)境。此外，盡管Kaelbling和Lozano-Pérez使用八叉樹(shù)代表機(jī)器人姿態(tài)容積排量，我們使用凸多面體，允許在確定性情況下非常有效的碰撞檢測(cè)[3]。在這兩種情況下,知覺(jué)是制定操作的必要前提,而不是硬編碼為一個(gè)任務(wù)本身。
在其他重要的方面我們的工作也不同于Kaelbling Lozano-Pérez。特別是我們的方法是新穎的，在規(guī)劃不完整的信息和傳感時(shí)應(yīng)用3D幾何容積作為象征性規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基本代表，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)成的多用途的人工智能的支持確定。這允許我們定義幾何先決條件和操作行為，涉及到知識(shí)的得失，并產(chǎn)生解決交錯(cuò)傳感和操縱行為的方案[6]，是之能成為一個(gè)有希望的方案解決移動(dòng)機(jī)械手合并知覺(jué)和行動(dòng)規(guī)劃的問(wèn)題。此外,我們可以很容易地集成未來(lái)改進(jìn)新計(jì)劃引擎,有效利用人工智能社區(qū)。最后,我們的工作是展示了移動(dòng)機(jī)械手，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景執(zhí)行在一個(gè)真正的武士刀機(jī)械手移動(dòng)平臺(tái),而不是僅僅在一個(gè)模擬的環(huán)境。
2.方法
KVP機(jī)器人試圖應(yīng)對(duì)固有的困難推理對(duì)象征性的行動(dòng)和幾何條件和效果任務(wù)規(guī)劃方法的兩個(gè)重要的原則,:知識(shí)的表示和卷的表示[4,5]。知識(shí)的概念被用來(lái)模擬規(guī)劃者的信任狀態(tài)的性能，而不是直接代表世界的狀態(tài)。這種方法是由我們?cè)?.1節(jié)描述的知識(shí)型象征性規(guī)劃者（規(guī)劃知識(shí)和傳感）[1,2]來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從符號(hào)層,我們考慮幾何條件和效果的評(píng)估使用套凸多面體的表示。
這個(gè)過(guò)程的細(xì)節(jié)在2.2節(jié)給出。之間的聯(lián)系這兩個(gè)級(jí)別的表示是闡明在2.3節(jié),我們簡(jiǎn)要描述的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)。在本文的其余部分我們將討論KVP框架在評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)操縱和力傳感兩個(gè)任務(wù)規(guī)劃情節(jié)中的應(yīng)用。
2.1知識(shí)遙感規(guī)劃
KVP中的象征性規(guī)劃有由多用途的可以構(gòu)造離散的不確定規(guī)劃過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)規(guī)劃者提供[1,2]。特別的是，過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)可以模擬知識(shí)的獲取和知識(shí)的損失，使其適合表示傳感和感知行為。不同于許多規(guī)劃者，過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)運(yùn)用“知識(shí)水平”推出如何策劃知識(shí)狀態(tài)，而不是世界的狀態(tài)，因?yàn)樾袆?dòng)是變化的。為此，過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)使用一個(gè)擴(kuò)展基于一個(gè)組5個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的斯坦福研究院?jiǎn)栴}解決系統(tǒng)，每個(gè)模型有一種特殊的可以解釋模態(tài)邏輯的知識(shí)。不同于那些使用世界模型或者陳述信任空間的規(guī)劃者，過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)運(yùn)用一個(gè)第一語(yǔ)言受限制的子集，支持函數(shù)和運(yùn)行時(shí)變量,來(lái)幫助改善其推理和計(jì)劃生成過(guò)程的效率。
在這項(xiàng)工作中,我們使用在過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)中的三個(gè)可用的數(shù)據(jù)庫(kù)：Kf，Kw和Kv，Kf數(shù)據(jù)庫(kù)包含已知的被用于模擬物理行為改變世界的影響的事實(shí)。更正式地,公式φ∈Kf表示“規(guī)劃師知道φ”這一事實(shí)。第二個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)Kw模擬運(yùn)行獲取信息時(shí)可以返回兩個(gè)值中的一個(gè)的行為影響。規(guī)劃期間,一個(gè)公式φ∈Kw代表規(guī)劃師知道φ的想法或?φ,然而,實(shí)際在執(zhí)行計(jì)劃時(shí)的二進(jìn)制值只會(huì)變得已知,即當(dāng)一個(gè)物理傳感器使用。最后，Kv數(shù)據(jù)庫(kù)代表在執(zhí)行時(shí)間知識(shí)函數(shù)值。因此，Kv能模擬影響感應(yīng)動(dòng)作返回一般常量（Kw相比,這只能模型傳感器與二進(jìn)制的結(jié)果）。過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)讀者參考之前描述的過(guò)程知識(shí)系統(tǒng)[1,2]和它在機(jī)器人學(xué)中的應(yīng)用[5]。
2.2建立凸多面體的幾何問(wèn)題
除了知識(shí)的概念，我們KVP方法的原則基礎(chǔ)是代表所有幾何對(duì)象的想法和機(jī)器人臂套凸多面體[6]。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以消除離散符號(hào)和連續(xù)的幾何規(guī)劃之間的差距，有效地評(píng)估一個(gè)范圍廣泛的幾何條件和影響。
然而，在一般情況下，任意一個(gè)非凸網(wǎng)格，分解成一個(gè)小的（或最小）的凸多面體是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。雖然確切的分解問(wèn)題是眾所周知的NP-hard問(wèn)題，馬和公司最近提出的近似算法[18]，對(duì)于我們的問(wèn)題實(shí)例的類型是足夠的效率，即分解場(chǎng)景中的機(jī)器人和對(duì)象的CAD模型。
正如我們先前描述的工作[3,6]，我們首先應(yīng)用Garland和Heckbert[19]的網(wǎng)格簡(jiǎn)化算法減少過(guò)度的CAD模型104-105的懲罰三角形。分層近似凸分解可自動(dòng)分解這些模型為≈10凸模型的20個(gè)頂點(diǎn)[18]，在≈30毫米的精度，并在幾秒鐘的時(shí)間計(jì)算。分解是一個(gè)迭代的方式進(jìn)行，搜索“三角形的對(duì)偶圖的邊凹”。搜索是由混合成本的功能為導(dǎo)向，有利于較高的局部凹凸的三角形，高寬比。然后，網(wǎng)格頂點(diǎn)的分層分割為多個(gè)凸體。實(shí)際分解后，另一個(gè)小網(wǎng)格簡(jiǎn)化可能進(jìn)一步減少頂點(diǎn)的數(shù)目。
這種表示的機(jī)器人和對(duì)象模型在手，我們可以有效地執(zhí)行所有的幾何查詢，在一個(gè)典型的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方案需要（見(jiàn)圖1）。對(duì)象或?qū)ο蠛挽o態(tài)機(jī)器人之間的碰撞和夾雜物的查詢，我們可以直接利用的吉爾伯特約翰遜算法實(shí)現(xiàn)[20]（GJK）。對(duì)對(duì)象之間的碰撞查詢和掃頻連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)量，我們第一次品嘗機(jī)器人的姿勢(shì)和計(jì)算所涉及的掃過(guò)容積在二次收斂速度的凸分解[3]；一旦掃過(guò)容積是可用的，這個(gè)問(wèn)題同樣降低了純凸碰撞檢查。作為一個(gè)結(jié)果，我們的kVp的結(jié)構(gòu)特征的一種非常有效的所有幾何查詢我們的領(lǐng)域出現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)。
圖2 所實(shí)現(xiàn)的kVp軟件體系結(jié)構(gòu)概述
2.3 kVp的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)
我們的kVp的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃軟件的實(shí)現(xiàn)分為幾個(gè)部分，執(zhí)行或被稱為庫(kù)函數(shù)，如圖2所示。首先，機(jī)器人和對(duì)象的幾何量簡(jiǎn)化和分解過(guò)程中的域定義。在這個(gè)時(shí)候，機(jī)器人和對(duì)象位置的具體問(wèn)題的實(shí)例是不知道只涉及的所有卷的CAD模型，靜態(tài)參數(shù)（如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)），和符號(hào)域定義的謂詞，行動(dòng)，和目標(biāo)是使用。
在計(jì)劃的生成時(shí)間，PKS規(guī)劃師搜索動(dòng)作序列的符號(hào)和幾何條件的規(guī)劃師的知識(shí)狀態(tài)，滿足，和其執(zhí)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的條件。評(píng)估幾何條件和影響，PKS進(jìn)行直接的函數(shù)調(diào)用特定于域的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和碰撞檢測(cè)等功能。一個(gè)有效的象征性的行動(dòng)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑的順序產(chǎn)生作為輸出。在運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的軌跡發(fā)生器和物理機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的內(nèi)插。千伏峰值也允許運(yùn)行時(shí)檢測(cè)和分辨率的支鏈的計(jì)劃，在力傳感方案在3.2節(jié)后來(lái)證明。
3.評(píng)價(jià)
在我們的評(píng)價(jià)，我們實(shí)現(xiàn)了與羅勃提諾的全方位移動(dòng)平臺(tái)和武士刀五自由度機(jī)械手在移動(dòng)操作的情況下測(cè)試我們的方法，如圖1a所示。相比之下,我們簡(jiǎn)要概括的結(jié)果力傳感場(chǎng)景從早些時(shí)候的工作[6],第二個(gè)場(chǎng)景顯示了另一個(gè)有趣的交互之間相互依存的感知和操縱行為。
3.1移動(dòng)操縱場(chǎng)景
在移動(dòng)操作的情況下，一個(gè)單一的移動(dòng)機(jī)器人必須移動(dòng)一塊新的一堆n塊在保持原有秩序下（見(jiàn)圖4）。這項(xiàng)任務(wù)是定義在kVp作為移動(dòng)操縱問(wèn)題包括抓取，放置，和移動(dòng)的動(dòng)作。為PKS規(guī)劃師象征行動(dòng)定義在圖3（和一些輔助功能略為簡(jiǎn)潔）。特別是，動(dòng)作拿起和放下的先決條件，包括機(jī)器人接近的位置，并可以通過(guò)移動(dòng)接近行動(dòng)了。同時(shí)，這些行動(dòng)的前提條件和效果，確保只有一個(gè)對(duì)象可以在任何一個(gè)時(shí)間，在機(jī)器人的夾持器。謂詞是可到達(dá)的位置是一個(gè)特定于域的屬性，通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和碰撞檢測(cè)庫(kù)評(píng)價(jià)實(shí)例，提供了象征性的規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制之間的聯(lián)系。該域的在實(shí)施工作所有細(xì)節(jié)都由諾金描述[21]。
這一領(lǐng)域的目標(biāo)的條件是，所有的對(duì)象都是放在現(xiàn)場(chǎng)留下的位置在一個(gè)特定的順序棧（見(jiàn)圖4）。為了評(píng)估，但最低的對(duì)象已經(jīng)放在堆棧（圖4），所以在這種情況下，任何解決方案，包括移動(dòng)所有對(duì)象到一個(gè)不同的位置（圖4B），插入新的對(duì)象，并建立堆棧中定義的順序（圖4c）。
圖3 移動(dòng)操縱場(chǎng)景：象征性的行動(dòng)定義
表1：移動(dòng)操作方案的評(píng)價(jià)，其中n是被堆放在一個(gè)給定的順序。盡管這個(gè)問(wèn)題看似簡(jiǎn)單的解決了，找到一個(gè)正確的計(jì)劃需要一個(gè)系統(tǒng)性的搜索，任何動(dòng)作的正確順序的偏差將使目標(biāo)不可行。
這一提法，移動(dòng)操作的情況下是蘇斯曼的異常的一個(gè)典型例子[22]，正確的解決方案不能由一個(gè)本地搜索。如表1所示的評(píng)價(jià)領(lǐng)域，變得不可行，n＞8，由于一個(gè)普通的臺(tái)式電腦內(nèi)存有限。我們特意為這個(gè)例子來(lái)說(shuō)明KVP目前的限制，并激勵(lì)我們今后的工作旨在改善我們的規(guī)劃算法。
3.2力傳感方案
相反，移動(dòng)操作的情況下，為了證明的感知和操作之間的相互作用，根據(jù)我們以前的工作[6]，我們提出的第二個(gè)域。在力傳感方案（圖5A），柔性機(jī)器人有把握，提升能力，和轉(zhuǎn)移的飲料容器并定位在桌子。當(dāng)一個(gè)容器時(shí)，機(jī)器人可以感覺(jué)到它的重量，由此，原因是飲料必須直立為了避免溢出。我們的目標(biāo)是將所有容器放到第二個(gè)桌子上，如果需要機(jī)器人可以在這些運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持其夾立。
正式地，域的重要作用被定義如圖5b所示。只有當(dāng)一個(gè)對(duì)象被確認(rèn)不會(huì)溢漏機(jī)器人用行動(dòng)傳遞速度快可能不保持直立，。然而，由于這方面的知識(shí)，運(yùn)行時(shí)不可用，要建立感應(yīng)重力的支（分支），記錄在PKS Kw的數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)建模，這是它一個(gè)對(duì)象可以溢出，以及不溢漏的情況下一個(gè)對(duì)象的原因，我們的軟件框架（圖2）執(zhí)行行動(dòng)計(jì)劃和選擇合適的分支遵循基于以前的感知行動(dòng)的運(yùn)行結(jié)果。這個(gè)方案是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合阻抗控制和力控制輕七自由度機(jī)器人手爪的平行測(cè)試，如圖5所示。用內(nèi)轉(zhuǎn)矩傳感物體的重量的外力。
4.結(jié)論
在本文中，我們?cè)谝苿?dòng)操作領(lǐng)域提出一個(gè)應(yīng)用我們的“知識(shí)卷”的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方法（KVP）。特別是，我們描述了為何認(rèn)知移動(dòng)機(jī)器人對(duì)知識(shí)的獲取和知識(shí)流失的原因，我們制定的有符號(hào)和幾何條件影響的感知和操作行為。我們的kVp的框架用結(jié)合的知識(shí)層面的規(guī)劃和凸多面體幾何判定評(píng)估的方法解決這類問(wèn)題。
致謝
作者希望感謝基蘭菲舍爾和索倫對(duì)他們進(jìn)行實(shí)施和評(píng)估的幫助，以及馬庫(kù)斯李凱爾特他的手稿上的評(píng)論。由歐盟第七框架計(jì)劃支持這項(xiàng)研究的部分通過(guò)杰姆斯項(xiàng)目。
圖4 由一個(gè)三自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)操作場(chǎng)景
圖5 在力傳感的場(chǎng)景中, 如果飲料容器被填滿柔性機(jī)器人能感覺(jué)到，并能保持直立移動(dòng)的同時(shí)防止溢出，除非他們是完全空的或不開(kāi)。
參考文獻(xiàn)
1. R. P. A.彼得里克 和F.巴克斯,基于知識(shí)型的方法不完整的信息和傳感的規(guī)劃在學(xué)報(bào)國(guó)際會(huì)議人工智能規(guī)劃. 212–221, 2002.
2. R. P. A.彼得里克 and F.巴克斯, 擴(kuò)展知識(shí)的方法和不完整的信息和遙感計(jì)劃國(guó)際會(huì)議論文自動(dòng)規(guī)劃和調(diào)度. 2–11, 2004.
3. A. Gaschler, R. P. A.彼得里克, T.克羅格, O.哈提卜, and A.克諾爾,機(jī)器人的任務(wù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與凸多面體的建立,機(jī)器人學(xué):科學(xué)和系統(tǒng)結(jié)合的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和人工智能規(guī)劃的實(shí)際應(yīng)用的研討會(huì), 2013.
4. A. Gaschler, R. P. A.彼得里克, O.哈提卜, and A.克諾爾,知識(shí)卷的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方法, 2014.審稿中.
5. A. Gaschler, R. P. A.彼得里克, M.茱莉亞尼, M. t里克特, 和 A.克諾爾,一個(gè)機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方法的知識(shí)卷, 電氣與電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際智能機(jī)器人和系統(tǒng)(IROS),2013.
6. A. Gaschler, R. P. A.彼得里克, T.克羅格, A.克諾爾, 和O.哈提卜,機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃與運(yùn)行時(shí)的意外傳感,電氣與電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化相結(jié)合(ICRA)車間任務(wù)和運(yùn)動(dòng)計(jì)劃, 2013.
7. N. J.尼爾森, “機(jī)器人沙基” 323年科技。眾議員,人工智能中心,國(guó)際,四月. 1984.
8. L. P. Kaelbling和T. Lozano-Pérez,統(tǒng)一的看法,估計(jì)移動(dòng)操作通過(guò)信任和行動(dòng)空間規(guī)劃,在電氣與電子工程師協(xié)會(huì)機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議上, 2012.
9. S.康邦, R.阿拉米,和F. Gravot,復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)的混合方法,操作和任務(wù)規(guī)劃,機(jī)器人技術(shù)研究28(1). 104–126, 2009.
10. E.普拉庫(kù) 和 G. D. r海格,以抽樣為基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與象征、幾何和微分約束,電氣與電子工程師協(xié)會(huì)機(jī)器人和自動(dòng)化會(huì)議, 2010.
11. C. Dornheg, M.吉斯勒, M. Teschner, and B.內(nèi)貝爾,積分符號(hào)和幾何規(guī)劃移動(dòng)操作,”電氣與電子工程師協(xié)會(huì)安全研討會(huì)安全與救援機(jī)器人. 1–6, 2009.
12. H.克雷斯-賈啟特 和 G. J.帕帕斯,國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局城市挑戰(zhàn)賽自動(dòng)綜合的計(jì)劃和控制子系統(tǒng),自動(dòng)化科學(xué)與工程(CASE).電氣與電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際會(huì)議. 766–771, 2008.
13. C.-H.成, M. r蓋辛格, H.呂斯, C. Buckl,和 A.克諾爾,游戲工業(yè)自動(dòng)化和控制解決,電氣與電子工程師協(xié)會(huì)機(jī)器人和自動(dòng)化會(huì)議. 4367–4372, 2012.
14.F.撒加利亞, C.博斯特, 和 G. Hirzinger,彌合任務(wù)規(guī)劃和路徑規(guī)劃的差距,”電氣與電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際智能機(jī)器人和系統(tǒng). 4490–4495, 2006.
15. J. L.巴里,操作以不同的行動(dòng).博士論文,麻省理工學(xué)院, 2013.
16. L. P. Kaelbling 和T. Lozano-Pérez,在信念空間集成任務(wù)和運(yùn)動(dòng)計(jì)劃,” h國(guó)際機(jī)器人研究期刊32(9–10). 1194–1227, 2013.
17. R. E. 福克斯和 N. J.尼森,應(yīng)用定理證明的新方法來(lái)解決問(wèn)題,”人工智能2. 189–208, 1971.
18. K.馬穆和F. Ghorbel,一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方法對(duì)3D網(wǎng)格近似凸分解,”圖像處理電氣與電子工程師協(xié)會(huì)國(guó)際會(huì)議(ICIP). 3501–3504, 2009.
19. M.加蘭和P. S.赫伯特, s使用二次誤差度量表面簡(jiǎn)化,”計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和互動(dòng)技術(shù). 209–216, 1997.
20. E. G.吉爾伯特, D. W.約翰遜, 和S. S. Keerthi,一個(gè)快速計(jì)算復(fù)雜的三維空間中的對(duì)象之間距離的過(guò)程,”機(jī)器人與自動(dòng)化,電氣與電子工程師協(xié)會(huì)日?qǐng)?bào) 4(2). 193–203,
1988.
21. S. Nogina,任務(wù)規(guī)劃移動(dòng)操作場(chǎng)景. s碩士論文,慕尼黑工業(yè)大學(xué), 2013.
22. G. J.薩斯曼,獲得技能的計(jì)算模型.博士論文,麻省理工學(xué)院, 1973.虛擬目錄.相比卷. 9025 90250D-7
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
題目：立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真
院（系） 機(jī)電學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
導(dǎo) 師
2014年4 月25 日
1. 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
本課題的主要研究?jī)?nèi)容是根據(jù)組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)計(jì)一應(yīng)用于立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)，同時(shí)，運(yùn)用三維建模軟件完成該機(jī)構(gòu)的裝配模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。技術(shù)指標(biāo)（1）抓重60kg；（2）手指加持范圍φ30-φ120mm。又由于精鍛機(jī)在加工過(guò)程中溫度變化較小,適宜于生產(chǎn)加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金。故根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、立式精鍛機(jī)的加工對(duì)象確定被夾持對(duì)象為圓軸、圓錐形軸、圓管等零件。
設(shè)計(jì)進(jìn)展?fàn)顩r：
1 在老師的指導(dǎo)下以及相關(guān)資料的幫助下，對(duì)立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手 有一個(gè)系統(tǒng)的了解。
2 調(diào)研并收集資料，整理資料，了解了題目背景、意義、前景等，通過(guò)查閱相關(guān)資料，確定了立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的初步方案，對(duì)上料機(jī)械手的總體工作原理有了一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。
3 通讀期刊文獻(xiàn)18篇，完成調(diào)研，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4 完成總體設(shè)計(jì)方案，確定機(jī)械手機(jī)械手方案采用外抓式手爪形式，齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式，單自由度式手腕，驅(qū)動(dòng)形式為液壓驅(qū)動(dòng)方式。順利完成開(kāi)題答辯以及開(kāi)題報(bào)告。
5 完成外文文獻(xiàn)的翻譯。
6 正在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算需要進(jìn)行鉗爪的夾緊力、夾緊油缸及手腕回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)外徑設(shè)計(jì)計(jì)算及相關(guān)的校核計(jì)算。已經(jīng)完成了鉗爪的夾緊力，夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算，夾緊油缸活塞桿的計(jì)算及手腕回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。從而得到驅(qū)動(dòng)力、夾緊油缸內(nèi)徑和外徑，活塞桿的直徑，回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑和外徑等數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在以圖1為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的描述：
(一) 確定“V”型鉗爪的L、β
取L/Rop=5?? （3—1）
式中：??Rop=(RMax +RMin)2+ （3—2）
=(15+60)2+=37.5mm?
由公式（3—1）、（3—2）得：L=5×Rop=187.5mm?
取“V”型鉗口的夾角2胃=120°，則偏轉(zhuǎn)角β按《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》表2-3來(lái)確定，查表得：?
β=76°39′￠?
（1） 握力的計(jì)算依據(jù)
手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力），一般來(lái)說(shuō)，手指握力需克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），使得工件保持良好的夾緊狀態(tài)。握力的大小與被夾持工件的重量、重心位置、以及夾持工件的范圍有關(guān)，我們把握力假想為作用在手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，用FN表示,可按下式計(jì)算：?
FN≥K1K2K3G （3-3）
其中K1：安全系數(shù)，通常取1.2-2.0?；
?????? K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按K2=1.1～2.5，或近似按下式估算?K2=1+a/g。（a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程中的加速度，m/s2; g 為重力加速度）；
K3：方位系數(shù)，按《機(jī)械手理論及應(yīng)用》表4-3選取，K3=0.5sinθf(wàn)≈4；+???????????????????????????
?????? G: 被抓取工件的重量（即重力）??。?????????????????
（2） 握力的計(jì)算?
F?N=K1K2K3G
=k1×k2 ×(0.5sinθf(wàn)) ×G
=1.5×1.1×4×60×9.8
=3880.8 N =
(二) 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
（1） 理論驅(qū)動(dòng)力F理論的計(jì)算
查資料《機(jī)械手理論及應(yīng)用》可得，作用在活塞桿上的理論驅(qū)動(dòng)力為：
F理論=2baFN （3-4）
式中 b---加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離， b=L×sinβ=182mm；
a---初選扇形齒輪分度圓半徑為a=50mm；
FN---手指的夾緊力，N=3880.8 N。
由此可計(jì)算的F理論=28252.22N
（2） 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際的計(jì)算
取傳遞效率畏=0.95
F實(shí)際= F理論η (3-5)
=28252.220.95
=29739.18N
(三) 夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算?
（1） 夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
夾緊油缸作為作為機(jī)械手手指的動(dòng)力源，為手指的張開(kāi)、閉合提供動(dòng)力。因此要具有一定的推動(dòng)能力，這里選用的是雙作用單桿活塞油缸，當(dāng)壓力油分別進(jìn)入油缸的有桿腔和無(wú)桿腔時(shí)，推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手手指的開(kāi)閉。當(dāng)油液進(jìn)入油缸有桿腔時(shí)，活塞桿帶動(dòng)手指張開(kāi)，當(dāng)油液從無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞桿帶動(dòng)手指閉合。?
（2）油缸內(nèi)徑D
由(3-5)計(jì)算可知，手指的開(kāi)閉實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際=29739.18N，此驅(qū)動(dòng)力由油液推動(dòng)活塞帶動(dòng)活塞桿提供，所以有：?
F實(shí)際=14πD2p
根據(jù)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》表4-2選取油液壓力p=2.2MPa?
D2=?4F實(shí)際/πp????? （3-6）
=4×29739.18π×2.2×106′′′
?得油缸內(nèi)徑D=131.2mm?
表3.1 液壓缸內(nèi)徑及柱塞桿外徑尺寸系列（GB/T2348-1993）（mm）
液壓缸內(nèi)徑尺寸
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
220
（250）
（280）
320
（360）
400
450
500
活塞桿外徑尺寸
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
括號(hào)內(nèi)為優(yōu)先選取尺寸，柱塞桿連接螺紋型式按細(xì)牙，規(guī)格和長(zhǎng)度查有關(guān)資料。
選擇油缸內(nèi)徑D=140mm。????
（3）液壓缸外徑計(jì)算?
對(duì)于低壓缸，Dδ≥16，應(yīng)按薄壁公式計(jì)算：?
0.1D≥δ≥PD2[σ]ds3 （3-7）
液壓缸采用無(wú)縫鋼管，查表可得[σ]=100Mpa
δ≥PD2[σ]=2.2×106×0.142×100×106d=1.54mms
查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓傳動(dòng)》，選取液壓缸外徑D1=160mm。
對(duì)缸壁厚度校核：?
σ=（0.4r2+1.3R2R2?r2）p]s? （3-8）
=（0.4×702+1.3×802802?702）×2.2]s
=15.08MPa＜[σ]
滿足材料的強(qiáng)度要求，所以液壓缸滿足工作要求。?
（4）夾緊油缸活塞桿計(jì)算?
按往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度比確定活塞桿直徑?
速度比蠁=V2V1=233176=1.32 （3-9）
活塞桿直徑d
d=Dφ?1φ=1401.32?11.32=68.93mm （3-10）
選取d=70mm。
活塞桿的強(qiáng)度校核:?
活塞桿的材料為45鋼，桿長(zhǎng)L約大于桿直徑的15倍，所以：?
桿長(zhǎng)L>15d=15×70=1050mm?
活塞桿材料為碳鋼，σs=350paMPa，σb=210MPa，E=210Gpa，碳鋼的[σ]=100~120MPa，
活塞桿的受力：
σ=F14πd2?=29739.1814×π×702?=7.72MPa＜[σ] （3-11）
所以活塞桿的強(qiáng)度滿足要求。?
活塞桿穩(wěn)定性校核：?
特定柔度值λ1=πEσP=π210×109280×106=86 （3-12）
柔度 λ=μ1i=μ14d=0.7×1.0514×0.07?=42 （3-13）
因?yàn)棣耍鸡?，故不能用歐拉公式計(jì)算臨界壓力[18]，由《材料力學(xué)》表10.1可知，優(yōu)質(zhì)碳鋼的a=461Mpa，b=2.568Mpa，所以有：?
λ2=a?σsb=461?3502.568=43.2 （3-14）
由（3-12）、（3-13）、（3-14）可見(jiàn)活塞桿滿足λ2＜λ＜λ1，是中等柔度壓桿，其臨界應(yīng)力：?
σcr=a-bλ=461-2.568×42=353.144Mpasl=-′ =??????????????????????? （3-15）
由此可見(jiàn)，臨界壓力遠(yuǎn)大于工作時(shí)壓力，故穩(wěn)定性滿足要求。?
（5）油液流量計(jì)算?
油液進(jìn)入無(wú)桿腔時(shí)的流量Q1：?
Q1=?1/4πD2v?=1/4×π×142×17.6=2709.3cm3/s???????????????????????????? ?? （3-16）
油液進(jìn)入有桿腔時(shí)的流量Q2：
Q2=1/4π（D2-d2）v =1/4×π×（142-72）×23.3=2690.07cm3/s?????????????????? ?? （3-18）
（6）傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)及校核
由于該齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，屬于一般的通用機(jī)械，所以采用齒面硬度≤350HBS的軟齒面鋼制齒輪，按照齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算原則，本設(shè)計(jì)應(yīng)先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，待確定了齒輪傳動(dòng)的參數(shù)和尺寸后，再驗(yàn)算齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度。
a．確定傳動(dòng)齒輪的材料、熱處理方法及精度等級(jí)
1 查資料《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-1，扇形齒輪材料選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為220HBS;
2 由于機(jī)械手的齒輪傳動(dòng)為一般的齒輪傳動(dòng)，圓周速度不會(huì)太大，故可選用8級(jí)精度[19]；
3 初選齒輪齒數(shù)z=20。
b. 按齒面的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪
由于本設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)為軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪的承載能力主要有齒輪接觸疲勞強(qiáng)度決定，故可按《機(jī)械設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行計(jì)算，即
d1≥2.323KT1 φd×u±1u（ZE[σH]）2 （3-19）
1. 確定載荷系數(shù)
因該齒輪傳動(dòng)是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對(duì)支承是對(duì)稱分布，根據(jù)原動(dòng)機(jī)和載荷性質(zhì)查資料《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》中表5-8，試取Kt=1.3；
2. 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)矩
T=95.5×105Pn （3-20）
由于手指由張開(kāi)到閉合的時(shí)間t=0.2s，液壓缸的行程暫定為l=150mm，則可求齒輪的線度：
V=lt=750mm/s （3-21）
由（3-21）進(jìn)而求得轉(zhuǎn)速：
n=w2π=v2πa=7502π×50×60=143r/min （3-22）
由（3-4）、（3-21）得輸入功率：
P=F理論V=28252.22×0.75=21.189KW （3-23）
由公式（3-22）（3-23）得
T1=95.5×105×21.189143=1.415×106N.mm=1415N.m
由公式（3-3）算出的握力FN和公式（3-4）中的加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b可以算出夾持力矩T2=FN×b=3880.8×0.182=706.3N.m＜齒輪轉(zhuǎn)矩T。
故齒輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到技術(shù)要求，加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b=182mm滿足要求。
3. 選取齒面寬系數(shù)
由于本齒輪傳動(dòng)中齒輪為懸臂布置，且為軟齒面?zhèn)鲃?dòng)，故選取齒寬系數(shù)為φd=0.8；
4. 選取材料的彈性影響系數(shù)ZE
由于兩齒輪材料均為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6可取材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa
5. 查取齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-21d按齒面硬度查得扇形齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為:
σHlim=560MPa；
6. 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
擬定工作壽命為15年，按每年300天，每天按8小時(shí)計(jì)算。
則由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得：
N=60njLh=60×143×1×（8×300×15）=3.09脳108次 （3-24）
7. 查取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：KHN=0.95
8. 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
對(duì)于解除疲勞強(qiáng)度計(jì)算，由于點(diǎn)蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、震動(dòng)增大，并不會(huì)立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，故可取安全系數(shù)S=1，由資料《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-12）得：
[σH]= KHN σHlim s=0.95脳560=532MPa （3-25）
9. 計(jì)算分度圓直徑d
由于本傳動(dòng)為齒輪齒條傳動(dòng)，傳動(dòng)比近似無(wú)窮大，所以u(píng)±1u=1
d1t≥2.323KtT1 φd×u±1u（ZE[σH]）2
=2.3231.3×1.415×1060.8×1×（189.8532）2 =154.033mm
10. 計(jì)算齒寬
b=φd×d1t=0.8×154.033=123.23mm （3-26）
模數(shù)mt=d1tz= 154.03320=7.7mm （3-27）
齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.25×7.7=17.329mm （3-28）
則齒寬與齒高之比bh=123.2317.329=7.11 （3-29）
11. 計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)由（3-21）得V=0.75m/s，8級(jí)精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.05;
直齒輪，KHα=KFα=1;
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-2查得使用系數(shù)KA=1;
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-4查得8級(jí)精度、齒輪相對(duì)支承懸臂布置時(shí)，KHβ=1.796;
由bh=7.11，KHβ=1.796查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-13得KFβ=1.52；
故載荷系數(shù)
K=KAKVKHαKHβ=1×1.05×1×1.796 =1.8858
12. 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-10a）得
d1=3KKt×d1t=31.88581.3 ×154.033=174.37mm （3-30）
計(jì)算模數(shù) m=d1z=174.37/20=8.72mm
13. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
m≥32KT1 φdz12×（YFaYSa[σF]） （3-31）
14. 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE=380MPa；
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN=2.0;
15. 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-12）得
[σF]= kFNσFES=2.0×3801.4MPa=542.857MPa （3-32）
16. 計(jì)算載荷系數(shù)
K=KAKVKFαKFβ=1×1.05×1×1.52=1.596 （3-33）
17. 查取齒形系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查得YFa=2.80。
18. 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查得YSa=1.55。
19. 設(shè)計(jì)計(jì)算
m≥32KT1 φdz12×（YFaYSa[σF]）
= 32×1.596×1.415×1060.8×202×（2.80×1.55542.857）
=4.83mm
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，故可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)4.83并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=5mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=174.37mm。
第一系列?0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50
第二系列?0.35 0.7 0.9 0.75 2.25 2.75 （3.25）3.5?。?.75） 4.5 5.5?。?.5） 7 9 （11） 14 18 22 28?。?0） 36 45
表3-3漸開(kāi)線圓柱齒輪模數(shù)（GB/T 1357-1987）
算出齒輪齒數(shù)
Z=d1m=174.375≈35
20. 計(jì)算幾何尺寸
計(jì)算分度圓直徑
d=zm=35×5=175mm
計(jì)算齒輪寬度
b=φd×d=0.8×175=140mm
（四）手腕回轉(zhuǎn)油缸設(shè)計(jì)計(jì)算
在手腕的回轉(zhuǎn)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐孔的摩擦力矩、密封裝置的摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)重心和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合的偏重力矩，所以有：?
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封 （3-19）
（1）手腕加速起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣?
把手部、轉(zhuǎn)軸以及回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)部分等效為一個(gè)高54cm，直徑18cm的圓柱體，其所受重力為350N。則有手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：?
J=1/2mR2?=1/2×35×0.092=0.14175N.m （3-20）
假設(shè)工件直徑10cm，長(zhǎng)度100cm，質(zhì)量60kg。工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J工件：?
J工件=1/12m（L2+3R2） （3-21）
=1/12×60×（12+3×0.052）
=5.0375N.m
手腕回轉(zhuǎn)角速度ω=15rad/s，取啟動(dòng)時(shí)間t=2s。?由（3-20）、（3-21）得手腕加速起動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣：
M慣=（J+J工件）ωt=（0.14175+5.0375）×152=38.84N.m （3-22）
（2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工件偏重力矩M偏?
假設(shè)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，所以有M偏=0 N.m （3-23）
（3）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩M摩?
為簡(jiǎn)化計(jì)算，可取M摩=0.1M驅(qū)? （3-24）
（4）密封處的摩擦阻力矩M封?
為簡(jiǎn)化計(jì)算，可取M封=0.15M驅(qū)? （3-25）
根據(jù)以上公式（3-22）、（3-23）、（3-24）、（3-25）的計(jì)算可知：?
????????????M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封
=38.84+0+0.1M驅(qū)+0.15M驅(qū)?
得M驅(qū)=51.79N.m?
（5）回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑計(jì)算
回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩M?
M=pb(R2?r2)2 （3-26）
其中取動(dòng)片寬度b取30mm，輸出軸半徑r=30mm，油液壓力p=2.2Mpa。?
因?yàn)橛蠱>M驅(qū),即?
M=pb(R2?r2)2=1/2×2.2×106×0.03×（R2-0.032）≥51.79
得R=49.7mm,即是油缸內(nèi)徑D1=99.4mm。?
選取標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑D1=100mm。
（6）回轉(zhuǎn)油缸外徑計(jì)算
對(duì)于手腕回轉(zhuǎn)油缸，Dδ≤3.2，根據(jù)油缸的工作要求，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓傳動(dòng)》，選取外徑D2=140mm。
2. 存在問(wèn)題及解決措施
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，遇到一些問(wèn)題：
1 對(duì)手爪結(jié)構(gòu)了解較少，加之被加持工件直徑在φ30-φ120mm之間，范圍較大，設(shè)計(jì)出的手爪結(jié)構(gòu)不夠緊湊。
2 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，如夾緊油缸內(nèi)徑選取時(shí)，找不到相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；
3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)方案還有一些漏洞瑕疵，需要進(jìn)一步改進(jìn)；
4 專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)有待加強(qiáng)。
解決措施：
1 查閱資料和指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，對(duì)手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，采用齒輪齒條式手爪，動(dòng)作靈活，且手指開(kāi)閉角大；
2 充分利用圖書館信息資源查閱有關(guān)資料，認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，熟悉選取準(zhǔn)則，進(jìn)而進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)計(jì)算；
3 積極向指導(dǎo)老師以及同學(xué)請(qǐng)教，不斷改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方案；
4 認(rèn)真回顧相關(guān)專業(yè)知識(shí)，及時(shí)請(qǐng)教老師和同學(xué)，完成設(shè)計(jì)計(jì)算。
3. 后期工作安排
第9～10周：完成中期報(bào)告的撰寫，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算以及相關(guān)外文文獻(xiàn)的翻譯；
第11～12周：完成齒輪等相關(guān)零件的校核計(jì)算，繪制機(jī)械手手部各零件的零件圖；
第13～14周：繪制機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)裝配圖；
第15～16周：校對(duì)圖紙，撰寫論文，初稿提交；
第17～18周：修改論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
注：1、正文：宋體小四號(hào)字，行距22磅。2、中期報(bào)告裝訂入畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）附件冊(cè)。
收藏